東北大,薄膜の微小領域だけ磁石にすることに成功

東北大学の研究グループは,遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)の一種である二セレン化ニオブ(NbSe2)を用い,薄膜が曲がると局所的に磁石として振る舞うことを実験的に検証した(ニュースリリース)。

近年電子が持つスピンの自由度の利用が注目されており,スピントロニクス素子,あるいは量子コンピュータの情報の単位であるキュービットにスピンの利用などが盛んに研究されている。

その制御には磁場の印加は欠かすことのできない手法だが,先端デバイスではナノスケールの局所磁場が要求される。局所的に磁場を制御することは簡単ではなく,例えば磁性を持った金属原子を配置することが考えられるが,その位置制御手法や磁場のオン・オフを実現することは容易ではない。

層状物質であり,原子数層の電子材料として注目されるTMDはストレスをかけて格子が歪んだ場合,磁場が発生するという理論予測がなされている。しかしナノスケールでその様な歪を発生させる手法,および磁場が生じていても検知する分析手法がなかった。

NbSe2は低温で超伝導特性を示すが,走査型トンネル顕微鏡を用いたトンネル分光を利用すれば,超伝導状態に特徴的な超伝導ギャップが観察できる。そのとき磁性を持つ原子が近くに存在すると,ギャップ内部にYSRと呼ばれる磁場による散乱状態が観察され,この状態の検知は局所的磁場センサーとして用いることができる。

NbSe2を劈開した表面上に,1T相原子構造をもつ厚み一層の島が観察されたが,その薄膜の一部で平坦ではなく曲面になっている場所が見つかった。その箇所でトンネル分光を適用したところ,曲面の一部,最大の曲率をもつ箇所において明瞭で強度の強いYSRピークが観察されたという。

これは薄膜を曲げて,2nm程度の微小領域にのみ局在する磁石を作成したことになる。局所的な曲がりの制御は同じ層状物質のグラフェンではすでに盛んに行なわれ,グラフェン・オリガミという研究テーマとして,直接的には走査プローブ顕微鏡の探針でグラフェンシートをナノメータースケールで切り,片方を持ち上げて折りたたむ実験はすでに示されている。

また,ナノリボンとよばれる短冊状の原子層の片方にのみ電場を印加して静電力で機械的な曲げを生じさせる手法も議論されている。研究グループは,今回の成果は薄膜の歪や曲げを利用したナノ領域の局所磁場の制御に応用可能だとしている。

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